高原環(huán)境下空氣濾清器性能改進(jìn)與試驗(yàn)研究

盧進(jìn)軍， 杜莉莉， 喬夢(mèng)華， 李文超， 陳克新

(中國(guó)北方車(chē)輛研究所, 北京 100072)

某系列輕型履帶式裝甲底盤(pán)在高原環(huán)境下存在著進(jìn)氣系統(tǒng)阻力大、保養(yǎng)間隔時(shí)間短、發(fā)動(dòng)機(jī)增壓器異常磨損等問(wèn)題.通過(guò)故障分析，可以得到其故障原因與重型裝甲車(chē)輛基本一致，即空氣濾清器總成的1級(jí)濾清器、2級(jí)濾清器在設(shè)計(jì)中沒(méi)有充分考慮高原環(huán)境，同時(shí)濾芯結(jié)構(gòu)和濾清器流場(chǎng)布置存在缺陷.在高原環(huán)境空氣密度降低的條件下，要保證質(zhì)量流量不變化，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣體積流量就會(huì)增加，系統(tǒng)氣流速度就會(huì)增高，而空氣濾清器在高氣流速度時(shí)阻力增大，從而導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率明顯下降，無(wú)法正常工作[1].

基于故障原理分析，提出解決方案可以從如下兩個(gè)方面出發(fā)：1)優(yōu)化濾清器流場(chǎng)，降低系統(tǒng)阻力；2)提高濾清容塵能力.改進(jìn)效果將應(yīng)用仿真手段與試驗(yàn)方法進(jìn)行驗(yàn)證.

1 新結(jié)構(gòu)仿真模型的建立

在文獻(xiàn)[1]研究的基礎(chǔ)上，形成3個(gè)改進(jìn)措施，分別是取消了原空氣濾清器的集氣箱，濾芯形狀由圓柱形改為圓臺(tái)形，并在濾芯尾部加裝了導(dǎo)流錐.

改進(jìn)后的空氣濾清器總成三維造型如圖1(a)所示，通過(guò)將1級(jí)濾清器模型和2級(jí)濾清器模型分別簡(jiǎn)化為具備一定阻力特性的多孔介質(zhì)模型來(lái)建立三維仿真模型，同時(shí)對(duì)空氣濾清器復(fù)雜結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化處理，增加前端進(jìn)氣道，分離濾芯前后端進(jìn)氣腔，組合成為系統(tǒng)仿真模型，改進(jìn)后的空氣濾清器系統(tǒng)仿真模型如圖1(b)所示.

圖1 空氣濾清器

將生成的系統(tǒng)仿真三維模型在ANSYSY Workbench的流體仿真模塊中進(jìn)行前處理，即劃分網(wǎng)格和定義區(qū)域.依據(jù)流體計(jì)算域劃分為4個(gè)部分體結(jié)構(gòu)：濾芯前端氣腔、濾芯后端氣腔、濾芯體和1級(jí)濾清器體.定義濾芯體和1級(jí)濾體為多孔介質(zhì)單元Porous zone.原車(chē)濾清器濾芯前后端腔體網(wǎng)格數(shù)為1 400 042，圓柱形濾芯網(wǎng)格數(shù)為324 512，1級(jí)濾清器體內(nèi)旋流管多孔介質(zhì)體共65個(gè)，網(wǎng)格數(shù)為201 474.改進(jìn)方案空氣濾清器濾芯前后端腔體增加了導(dǎo)流錐和圓臺(tái)形濾芯斜面，網(wǎng)格數(shù)量為1 482 567，圓臺(tái)形濾芯網(wǎng)格數(shù)為401 562.由于改進(jìn)前后兩方案采用同一款1級(jí)濾清器，故1級(jí)濾清器網(wǎng)格數(shù)一致[2].

2 仿真參數(shù)的確定

在計(jì)算過(guò)程中多孔區(qū)域可以簡(jiǎn)化為增加壓力降的流體區(qū)域，多孔區(qū)域流體速度-壓力降擬合公式為

(1)

(2)

(3)

式中：C2x為慣性阻力因子；ρ為空氣密度，kg/m3；△nx為單個(gè)旋流管長(zhǎng)度或?yàn)V紙紙折厚度，m；αx是滲透特性系數(shù)；μ為空氣動(dòng)力粘度，10-5Pa·s；Δpx為流體通過(guò)多孔介質(zhì)產(chǎn)生的壓力降，Pa；vx為通過(guò)多孔介質(zhì)的流速，m/s；下標(biāo)x為t或f，t表示旋流管參數(shù)，f表示濾芯參數(shù).

將式(2)和式(3)代入式(1)中，可以得到待確定參數(shù)1/αx和C2x.該參數(shù)可在已知旋流管和濾芯的速度與壓力降試驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上通過(guò)插值的方法求出[3].

設(shè)定發(fā)動(dòng)機(jī)額定工況下進(jìn)氣流量為1.2 kg/s，海拔0 m至4 500 m的大氣壓力、溫度和空氣密度通過(guò)查詢(xún)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)大氣數(shù)值得到.海拔越高, 空氣越稀薄, 空氣濾清器的性能隨海拔的升高而惡化的影響也就越明顯.將質(zhì)量流量依據(jù)空氣密度折算為不同的體積流量后，將不同海拔高度下的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行擬合，將密度和尺寸參數(shù)代入擬合后的函數(shù)表達(dá)式，可以依次得到單個(gè)旋流管元件和單個(gè)濾芯在不同海拔環(huán)境下的多孔介質(zhì)參數(shù)(見(jiàn)表1).

Workbench Fluent工作模塊的Setup連接Fluent求解器，在環(huán)境設(shè)置中選取平原和高原兩種環(huán)境設(shè)置，設(shè)置不同的溫度和空氣粘度.設(shè)置模型的邊界條件為壓力入口和速度出口，壓力入口在一級(jí)濾清器前端氣道，依據(jù)兩種地域的海拔高度的空氣密度數(shù)據(jù)，計(jì)算空氣濾清器的出口流量.在出口面積一定的條件下，出口流速即可確定.在兩種多孔介質(zhì)模型設(shè)置中選擇圓形多孔介質(zhì)，多孔介質(zhì)模型的粘性阻力系數(shù)1/α和慣性阻力系數(shù)C2依據(jù)表1輸入，不隨海拔高度變化而變化[4].

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表1 不同海拔高度下濾清器的試驗(yàn)數(shù)據(jù)與多孔介質(zhì)參數(shù)[1]

3 仿真結(jié)果與分析

通過(guò)仿真計(jì)算，得到了兩種海拔高度(0 m和4 500 m)下，空氣濾清器濾芯的流場(chǎng)分布圖、空氣濾清器總成的速度云圖、濾芯流速分布云圖和空氣濾清器總成速度分布矢量圖，如圖2～圖8所示.

圖2 原空氣濾清器圓柱形濾芯速度流場(chǎng)分布圖(平原 )

圖3 改進(jìn)方案圓臺(tái)形濾芯速度流場(chǎng)分布圖(平原)

圖4 改進(jìn)方案空氣濾清器總成流速分布圖(平原)

圖5 改進(jìn)方案空氣濾清器總成流速分布圖(高原)

圖6 改進(jìn)方案空氣濾清器總成流速剖面圖(平原)

圖7 改進(jìn)方案空氣濾清器總成流速剖面圖(高原)

通過(guò)讀取特定截面仿真數(shù)據(jù)，得到仿真數(shù)值結(jié)果如表2所示，從表2中可以看到改進(jìn)前后的壓力降仿真結(jié)果.

圖8 改進(jìn)方案濾芯流速云圖(高原)

參數(shù)名稱(chēng)參數(shù)值原空濾器(平原)改進(jìn)方案(平原)原空濾器(高原)改進(jìn)方案(高原)空氣流量V/(m3·h-1)3370337039603960出口流速v/(m·s-1)5.024.677.636.05系統(tǒng)壓力降P/kPa4.83.85.44.2濾芯面流速vf/(m·s-1)12.25.814.36.5

通過(guò)對(duì)空氣濾清器總成的結(jié)構(gòu)計(jì)算和仿真分析，可以得到以下結(jié)論：

1)原方案由于流場(chǎng)不均勻造成濾芯表面流速不均勻，加上集氣箱的流體擴(kuò)展空間體積小，出氣口收口無(wú)過(guò)渡等因素，所以在平原和高原兩種狀態(tài)下，最大進(jìn)氣量時(shí)的流速和阻力均較高，平原地區(qū)阻力達(dá)到了4.8 kPa，高原地區(qū)阻力更是高達(dá)5.4 kPa.而改進(jìn)方案在采用了前述兩方法優(yōu)化流場(chǎng)后，最大進(jìn)氣量時(shí)，平原地區(qū)系統(tǒng)阻力為3.8 kPa；在高原地區(qū)發(fā)動(dòng)機(jī)最大進(jìn)氣量時(shí)，系統(tǒng)阻力為4.2 kPa.改進(jìn)后的空氣濾清器阻力較原方案降低了22%，系統(tǒng)阻力的降低滿(mǎn)足了發(fā)動(dòng)機(jī)增壓器前端阻力需求.

2)圓臺(tái)形濾芯和錐形導(dǎo)流裝置，達(dá)到了降低系統(tǒng)壓力降的目標(biāo).系統(tǒng)初始阻力的降低，帶來(lái)了容塵過(guò)程中阻力增長(zhǎng)余量的提高，特別是容塵初始階段，系統(tǒng)阻力增加緩慢，極大提高了系統(tǒng)容塵總質(zhì)量，提高了空氣濾清器的使用壽命.

3)從仿真圖中可以看到，原空氣濾清器圓柱形濾芯局部面流速在高原狀態(tài)最高達(dá)到了14.3 m/s，有局部擊穿的風(fēng)險(xiǎn).改進(jìn)方案通過(guò)改變?yōu)V芯形狀、加裝導(dǎo)流裝置等方式優(yōu)化流場(chǎng)，降低了濾芯表面流速，改進(jìn)方案在高原狀態(tài)濾芯表面最大面流速為6.5 m/s.

4 高原測(cè)試

4.1 測(cè)試方案

空氣濾清器性能和環(huán)境參數(shù)的測(cè)試工具，包括壓力傳感器、風(fēng)速傳感器和數(shù)據(jù)記錄裝置.該測(cè)試場(chǎng)海拔4 500 m，現(xiàn)場(chǎng)溫度10 ℃，大氣壓力59 kPa.主要測(cè)試項(xiàng)目如下：

2)空氣濾清器進(jìn)氣流量測(cè)試；

3)空氣濾清器容塵能力的監(jiān)測(cè).

空氣濾清器的阻力、進(jìn)氣流量和容塵能力的測(cè)試方法均參照文獻(xiàn)[1]中采用的方法，即應(yīng)用壓力傳感器測(cè)量壓力降、應(yīng)用風(fēng)速傳感器測(cè)量風(fēng)速，通過(guò)進(jìn)氣截面積的換算得到進(jìn)氣流量，以及通過(guò)記錄空氣濾清器保養(yǎng)間隔得到容塵能力的方法.

空氣濾清器數(shù)據(jù)記錄盒的連接狀態(tài)與壓力傳感器的安裝形式如圖9、圖10所示.

圖9 數(shù)據(jù)記錄盒 圖10 壓力傳感器

4.2 測(cè)試結(jié)果

經(jīng)過(guò)高原測(cè)試，得到了空氣濾清器高原工作狀態(tài)下各測(cè)試點(diǎn)的靜壓分布，其中出口處的靜壓值減去入口處的靜壓值即為空氣濾清器出口處的壓力降.空氣濾清器進(jìn)氣流量測(cè)試得到的單管流速數(shù)值，通過(guò)旋流管數(shù)量和截面積的換算，得到了試驗(yàn)測(cè)試的空氣濾清器進(jìn)氣量數(shù)據(jù)見(jiàn)圖11.在同一流量下對(duì)比仿真和試驗(yàn)測(cè)試的壓力降數(shù)值，可以得出在海拔4 500 m的高原條件下，空氣濾清器壓力降仿真結(jié)論與試驗(yàn)結(jié)果之間的對(duì)比關(guān)系，同時(shí)可以驗(yàn)證仿真的準(zhǔn)確程度.

圖11 空氣濾清器在不同單管流速時(shí)出口處壓力降仿真與實(shí)驗(yàn)對(duì)比

通過(guò)將仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析可以看到：以濾清器進(jìn)氣流量為基準(zhǔn)得出的空氣濾清器壓力降曲線，仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果在趨勢(shì)上是一致的，只是在數(shù)值上，試驗(yàn)結(jié)果比仿真結(jié)果高出5%～8%.通過(guò)分析，是因?yàn)槟Ｐ秃?jiǎn)化了空氣濾清器進(jìn)氣腔中的線纜等障礙物和加工過(guò)程中產(chǎn)生的腔體表面粗糙等因素，使得流場(chǎng)更趨于理想，阻力相對(duì)實(shí)測(cè)值要小一些.

通過(guò)對(duì)高原裝甲車(chē)輛跑車(chē)過(guò)程的全程監(jiān)控和濾芯保養(yǎng)時(shí)間的統(tǒng)計(jì)分析，得到了改進(jìn)后的空氣濾清器在高原地區(qū)的維護(hù)保養(yǎng)平均時(shí)間約為20 h，改進(jìn)前空氣濾清器的維護(hù)保養(yǎng)平均時(shí)間約為16 h，改進(jìn)后的空氣濾清器保養(yǎng)周期提高了25%.

5 結(jié) 論

從某系列輕型履帶式裝甲車(chē)輛空氣濾清器高原地區(qū)實(shí)際使用問(wèn)題出發(fā)，在理論分析研究的基礎(chǔ)上，提出了提升空氣濾清器高原性能的方向與3個(gè)改進(jìn)措施，分別是取消了原空氣濾清器的集氣箱，濾芯形狀由圓柱形改為圓臺(tái)形，并在濾芯尾部加裝了導(dǎo)流錐.通過(guò)改進(jìn)措施的實(shí)施，空氣濾清器的阻力和容塵能力性能得到了提升.其中，改進(jìn)前后空氣濾清器的阻力降低了約22%，改進(jìn)后的空氣濾清器保養(yǎng)周期提高了25%，表面濾清器的容塵能力也得到了提高.

加工了試驗(yàn)樣機(jī)產(chǎn)品，赴高原試驗(yàn)場(chǎng)進(jìn)行了場(chǎng)地試驗(yàn)，通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集與分析得到試驗(yàn)結(jié)果，證明了性能改進(jìn)是有效的.主要表現(xiàn)在：改進(jìn)措施有效地降低了空氣濾清器高原地區(qū)使用過(guò)程中的系統(tǒng)阻力，保證了發(fā)動(dòng)機(jī)功率的有效輸出，解決了長(zhǎng)期困擾高原地區(qū)裝甲車(chē)輛使用中的難題.高原試驗(yàn)與仿真結(jié)果對(duì)比分析表明，試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)論的誤差處于可接受的范圍內(nèi)，驗(yàn)證了仿真結(jié)論的正確性，同時(shí)也表明，仿真方法可以真實(shí)地模擬空氣濾清器部件和系統(tǒng)在不同流場(chǎng)條件下的工作狀態(tài)，得到可信度較高的性能曲線，初步達(dá)到代替野外試驗(yàn)的目的.

[1] 盧進(jìn)軍，李繼新，孫 陽(yáng)，等． 高原環(huán)境下某裝甲車(chē)輛空氣濾清器性能仿真分析與試驗(yàn)[J]． 兵工學(xué)報(bào)，2015,36(8)： 1556-1561.

[2] Lucki T，F(xiàn)issan H． The prediction of filtration perform-ance of high efficiency gas filter elements[J]． Chemical Engineering Science，1996，51(8):1199-1208.

[3] Fluent Inc. FLUENT 6.3 user's guide[M]． NH，Lebanon: Fluent Inc. 2006．

[4] Fabbro D L，Laborde J C，Merlin P，et al． Air flows and pressure drop modeling for different pleated industrial filters[J]． Filtration & Separation，2002，39( 1) : 34-40．